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Special Topic: Gravitational Wave Astronomy

GUEST EDITORIAL

Xiang-Ping Wu

Listening to the Universe with gravitational waves

Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 680, DOI: 10.1093/nsr/nwx021

https:///10.1093/nsr/nwx021

Xiang-Ping Wu

RESEARCH HIGHLIGHT

PHYSICS

Chunnong Zhao and David G Blair

First direct detection of gravitational waves

Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 681–682, DOI: 10.1093/nsr/nwx089

https:///10.1093/nsr/nwx089

Chunnong Zhao

PERSPECTIVES

PHYSICS

Yi-Ming Hu, Jianwei Mei and Jun Luo

Science prospects for space-borne gravitational-wave missions

Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 683–684, DOI: 10.1093/nsr/nwx115

https:///10.1093/nsr/nwx115

Jun Luo

Wen-Rui Hu and Yue-Liang Wu

The Taiji Program in Space for gravitational wave physics and the nature of gravity

Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 685–686, DOI: 10.1093/nsr/nwx116

https:///10.1093/nsr/nwx116

Yue-Liang Wu

REVIEWS

PHYSICS

Rong-Gen Cai, Zhoujian Cao, Zong-Kuan Guo, Shao-Jiang Wang and Tao Yang

The gravitational-wave physics

Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 687–706, DOI: 10.1093/nsr/nwx029

https:///10.1093/nsr/nwx029

Rong-Gen Cai

George Hobbs and Shi Dai

Gravitational wave research using pulsar timing arrays

Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 707–717, DOI: 10.1093/nsr/nwx126

https:///10.1093/nsr/nwx126

George Hobbs

INTERVIEW

Hepeng Jia

We have confidence to lead gravitational-wave science: an interview with Yueliang Wu

Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 718–720, DOI: 10.1093/nsr/nwx072

https:///10.1093/nsr/nwx072

Yue-Liang Wu

100年前，當(dāng)愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)引力波的存在的時(shí)候，他不曾想過(guò)，有朝一日，人類能夠真正觀測(cè)到引力波：這個(gè)效應(yīng)是如此的微弱，無(wú)法察覺(jué)……而在2016年2月11日，北京時(shí)間23:30分，加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、LIGO科學(xué)聯(lián)盟、以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，向全世界宣布:我們真的探測(cè)到引力波!

相關(guān)論文，以O(shè)bservation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger為題，在Physical Review Letters上發(fā)表。知社學(xué)術(shù)圈特邀請(qǐng)論文作者之一、LIGO科學(xué)聯(lián)盟核心成員、加州理工學(xué)院陳雁北教授，和中國(guó)引力波專家、湖北第二師范學(xué)院范錫龍博士，撰文介紹引力波探測(cè)漫長(zhǎng)曲折而又激動(dòng)人心的經(jīng)歷，和一些鮮為人知的花絮。（參見(jiàn)：陳雁北: 愛(ài)因斯坦都不敢想象, 我們真的探測(cè)到引力波!|獨(dú)家專訪）

國(guó)際引力波探測(cè)聯(lián)盟LIGO在2015年9月14日探測(cè)到了GW150914這個(gè)引力波信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)不僅直接證實(shí)了廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言——引力波的存在，還為引力波天文學(xué)注入了無(wú)限的活力。

北京時(shí)間2016年10月3日下午5點(diǎn)45分，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予LIGO三劍客Kip Thorne，Rainer Weiss和Barry Barish，表彰他們?cè)谌祟愂状翁綔y(cè)到引力波的卓越貢獻(xiàn)。其中，多名中國(guó)學(xué)者在LIGO團(tuán)隊(duì)為引力波探測(cè)做出重要貢獻(xiàn)，并在人類首次探測(cè)到引力波的PRL論文署名，共享這一榮光。（參見(jiàn)：LIGO三劍客榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng), 中國(guó)學(xué)者共享榮光 |火線專訪）

LIGO三劍客

那么，引力波的探測(cè)，究竟給天文學(xué)帶來(lái)什么樣的新機(jī)遇？在過(guò)去兩年多的時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外的實(shí)測(cè)天文學(xué)家在關(guān)心什么？引力波天文學(xué)當(dāng)前最重要的問(wèn)題又是什么呢？答案非常簡(jiǎn)單，尋找LIGO引力波源的電磁對(duì)應(yīng)體！

如果能證實(shí)電磁對(duì)應(yīng)體的存在，那么多波段引力波天文學(xué)將掀開(kāi)新的篇章。雖然這其中的不確定性太多，很難找到電磁對(duì)應(yīng)體，但我們相信，通過(guò)五個(gè)要素，可以讓我們無(wú)限接近答案。它們分別是：引力波源的概率密度天區(qū)、星表信息、多波段的交叉認(rèn)證、多觀測(cè)基站的交叉認(rèn)證和時(shí)域觀測(cè)信息。（參見(jiàn)：諾獎(jiǎng)后的下輪豪賭: 尋覓LIGO引力波源的電磁對(duì)應(yīng)體? | 引力波天文學(xué)之一）

近年來(lái)，有一項(xiàng)天文學(xué)前沿的研究對(duì)象，公眾對(duì)其知之甚少。她是可觀測(cè)宇宙中電磁學(xué)波段能量最高的爆發(fā)現(xiàn)象。她在10秒內(nèi)爆發(fā)出的能量比太陽(yáng)一生所釋放的能量還要多。她如此高能，卻難以捕捉；她如此神秘，又令人癡迷。這浩瀚無(wú)垠的宇宙中閃耀的倩影，正是——伽瑪射線暴Gamma-ray Bursts（以下簡(jiǎn)稱伽瑪暴或GRB）。

至于為何伽瑪暴的科普文章如此之少（幾乎沒(méi)有），是由伽瑪射線暴的客觀條件和歷史原因決定的：首先，發(fā)現(xiàn)得晚；其次，難以觀測(cè)捕捉；再次，目前還沒(méi)有一個(gè)完美的理論模型。

21世紀(jì)，迎來(lái)了GRB觀測(cè)的“黃金時(shí)期”，伽瑪暴的“前世”即前身星的模型已基本敲定：分別是大質(zhì)量恒星坍縮模型和雙致密性星（如中子星、黑洞）的合并模型。對(duì)于后者，我們正在期待當(dāng)前如火如荼的LIGO引力波觀測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)決定性的證據(jù)——由致密天體并合所產(chǎn)生的引力波。（參見(jiàn)：宇宙中閃耀的倩影 -- 伽瑪暴 | 引力波天文學(xué)之二）

LIGO已經(jīng)探測(cè)到4次雙黑洞并合事件。那它到底能不能探測(cè)到雙中子星的并合事件呢？圈內(nèi)已經(jīng)定下賭約，以一瓶好酒為注。

位于貴州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的大窩凼洼地，坐落著世界上最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡：500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（英文縮寫為FAST）。FAST有若干個(gè)科學(xué)任務(wù)，而其中一個(gè)非常重要的任務(wù)就是接收來(lái)自一種被稱為“脈沖星”的天體所發(fā)出的信號(hào)。

FAST望遠(yuǎn)鏡

FAST觀測(cè)脈沖星的重要科學(xué)意義之一，在于幫助天文學(xué)家研究中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即致密物質(zhì)的狀態(tài)方程。如果LIGO能成功探測(cè)到兩顆中子星并合的引力波信號(hào)，也有望幫助人們更好地理解中子星的狀態(tài)方程。（參見(jiàn)：揭開(kāi)“宇宙燈塔”的神秘面紗–從中國(guó)的FAST說(shuō)開(kāi)｜引力波天文學(xué)之三  ）

當(dāng)然，引力波天文學(xué)能夠做的事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于中子星，天文學(xué)家感興趣的領(lǐng)域也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止中子星。知社引力波天文學(xué)系列第四篇文章，帶大家探秘“哈勃常數(shù)”，追問(wèn)引力波對(duì)這個(gè)宇宙學(xué)參數(shù)的回答。

哈勃常數(shù)H0是一個(gè)由哈勃定律引入的宇宙學(xué)基本常數(shù)，精確測(cè)定H0的值是精確計(jì)算宇宙學(xué)距離(正比于c/H0,其中c是光在真空中的傳播速度)，以及宇宙學(xué)時(shí)間或宇宙年齡（正比于1/H0）的基本前提。然而，在精確宇宙學(xué)時(shí)代里，宇宙學(xué)里的基本參數(shù)之一“哈勃常數(shù)”的真實(shí)數(shù)值卻越來(lái)越撲朔迷離。

引力波的春風(fēng)同樣為哈勃常數(shù)的測(cè)量帶來(lái)了新希望。如果未來(lái)引力波及其電磁對(duì)映體或者宿主星系的數(shù)據(jù)能給出全新的獨(dú)立的哈勃常數(shù)的測(cè)量，那無(wú)疑將是宇宙學(xué)的一個(gè)重要進(jìn)展。（參見(jiàn)：測(cè)定哈勃常數(shù):引力波對(duì)其貢獻(xiàn)能有多大？｜引力波天文學(xué)之四 ）

引力波信號(hào)被觀測(cè)到，對(duì)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論同樣意義深遠(yuǎn)。自1915年廣義相對(duì)論被創(chuàng)建后，近百年的各類實(shí)驗(yàn)，都逐一驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的各個(gè)方面，涉及了太陽(yáng)系內(nèi)的弱引力場(chǎng)、中子星表面的強(qiáng)引力場(chǎng)和黑洞這樣更強(qiáng)的引力場(chǎng)等情況。

2015年9月，LIGO引力波地面干涉儀首次直接探測(cè)到了引力波信號(hào)。對(duì)引力波信號(hào)的復(fù)雜分析表明，從引力波反推出來(lái)的動(dòng)態(tài)時(shí)空的演化情況與數(shù)值相對(duì)論中按照愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論演化的雙黑洞系統(tǒng)基本一致。即，在高度動(dòng)態(tài)的時(shí)空中，廣義相對(duì)論“大體上”是對(duì)的。

愛(ài)因斯坦

愛(ài)因斯坦先生是徹底對(duì)了嗎？不盡然。由于廣義相對(duì)論與量子場(chǎng)論尚存在無(wú)法融合的矛盾、且廣義相對(duì)論中預(yù)言了因果性破壞的“奇點(diǎn)”、再加上近幾十年來(lái)暗物質(zhì)、暗能量的觀測(cè)，我們有理由相信，在某些未知的能標(biāo)下、在某些未知的過(guò)程中，廣義相對(duì)論需要得到修改，我們需要超越愛(ài)因斯坦的引力理論——可惜，廣義相對(duì)論究竟在哪個(gè)尺度上是錯(cuò)的這件事情還是個(gè)“徹底的未知”。（參見(jiàn)：早安，愛(ài)因斯坦先生！|引力波天文學(xué)之五）

知社引力波天文學(xué)系列第六篇文章，帶領(lǐng)大家一起領(lǐng)略了現(xiàn)代版的“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”——引力波時(shí)代的愛(ài)因斯坦弱等效原理檢驗(yàn)。

等效原理是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論和其它引力理論的重要基石，愛(ài)因斯坦認(rèn)為等效原理是他的“happiest idea”（“最開(kāi)心的靈感”）。在未來(lái)的多信使觀測(cè)時(shí)代，借助引力波信號(hào)及其電磁對(duì)應(yīng)體信號(hào)，人們可以精確檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論以及廣義相對(duì)論和其它引力理論的基石之一——弱等效原理。如果未來(lái)真的能夠探測(cè)到引力波源及其電磁波、中微子伴隨信號(hào)，那么我們完全能夠把對(duì)愛(ài)因斯坦弱等效原理的多信使檢驗(yàn)擴(kuò)展到引力波和光子、引力波和中微子窗口。（參見(jiàn)：弱等效原理的多信使檢驗(yàn)｜引力波天文學(xué)之六 ）

雙致密星并合在開(kāi)辟引力波天文的道路上已經(jīng)構(gòu)建了如此多的美景，但這只是高頻引力波天文學(xué)的一角，精彩才剛剛開(kāi)始。知社引力波天文學(xué)系列第七篇，帶領(lǐng)大家探秘天文學(xué)領(lǐng)域更多有趣的研究。

雙星并合

首先是偏心率的作用。偏心率在引力波天文學(xué)上有很重要的用途，包括能夠使激發(fā)出高頻的引力波，從而有效擴(kuò)展LIGO能看到的黑洞質(zhì)量上限；另外，偏心率還可以幫助定位。目前，如何高精度并且快速地計(jì)算偏心率軌道輻射的引力波，仍然是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的工作。

其次是連續(xù)引力波。連續(xù)引力波對(duì)應(yīng)的是一種長(zhǎng)期穩(wěn)定存在的引力波。但在實(shí)際操作中存在著很多問(wèn)題，為尋找連續(xù)引力波的工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。由于其本身的難度并且探測(cè)器還沒(méi)有達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)精度，使我們目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)確信的連續(xù)引力波事件。隨著未來(lái)更多地面引力波探測(cè)器例如KAGRA，LIGO印度探測(cè)器的加入，和不斷改進(jìn)的探測(cè)器靈敏度，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)將被收集，在不久的將來(lái)自然將給我們帶來(lái)更大的驚喜。

再次是隨機(jī)引力波背景。當(dāng)黑洞并合這樣的引力波源發(fā)生于距離地球比較近時(shí)（大約幾億到幾十億光年以內(nèi)），則可以被獨(dú)立地從儀器噪聲中提取出；而那些更遙遠(yuǎn)的波源雖然不能被單個(gè)識(shí)別出，它們的影響卻可能被整體感知到。這種大量不可分辨的微弱引力波信號(hào)疊加在一起形成的就是隨機(jī)引力波背景。我們期望未來(lái)地面引力波探測(cè)器能看到天體起源引力波璀璨的背景（2020年LIGO達(dá)到設(shè)計(jì)靈敏度的時(shí)候就有可能看到），更期待未來(lái)能有一些來(lái)自超越標(biāo)準(zhǔn)暴漲宇宙學(xué)的引力波背景信號(hào)的驚喜。（參見(jiàn)：更多源，更有趣 | 引力波天文學(xué)之七）

宇宙學(xué)正在經(jīng)歷一個(gè)快速發(fā)展的階段，目前為止，所有的觀測(cè)都是局限在電磁波窗口。人們通過(guò)對(duì)Ia型超新星，宇宙微波背景等的觀測(cè)，對(duì)宇宙的形成與演化都有了很深刻的認(rèn)識(shí)。然而，通過(guò)這兩者得到的當(dāng)前宇宙膨脹率即哈勃常數(shù)H0存在一個(gè)明顯的矛盾（測(cè)定哈勃常數(shù):引力波對(duì)其貢獻(xiàn)能有多大？｜引力波天文學(xué)之四）。為了檢查這個(gè)矛盾并且回答這樣的問(wèn)題，我們急需一種新的獨(dú)立的直接測(cè)量H0的手段，并且要求這個(gè)手段測(cè)量精度能達(dá)到1%。

我們提出研究宇宙學(xué)的新天體物理系統(tǒng)：透鏡化的引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體。它是一個(gè)多信使系統(tǒng)，即我們既能觀測(cè)透鏡化引力波的多個(gè)信號(hào)，同時(shí)也可以看到其電磁對(duì)應(yīng)體的多像。這樣的系統(tǒng)觀測(cè)認(rèn)證將是一個(gè)交叉確認(rèn)的過(guò)程。

除了本項(xiàng)工作，另一項(xiàng)利用透鏡化的引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體測(cè)量引力波速度的檢驗(yàn)廣義相對(duì)論引力理論的工作發(fā)表在PRL上（引力波速度測(cè)量新方法）。（參見(jiàn)：透鏡化引力波電磁波宇宙學(xué) | 引力波天文學(xué)之八  ）

2016年10月16日前，LIGO、歐洲南方天文臺(tái)、我國(guó)紫金山天文臺(tái)等機(jī)構(gòu)紛紛發(fā)出預(yù)告，將于10月16日在全世界同步召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)、宣布重大天文發(fā)現(xiàn)，大造山雨欲來(lái)風(fēng)滿樓之勢(shì)。知社特邀華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師俞云偉教授，為你解讀中子星并合引力波探測(cè)的前世今生。（參見(jiàn)：舉世關(guān)注的明晚引力波大新聞, 有劇透! | 引力波天文學(xué)之九 ）

雙星演化是恒星級(jí)雙黑洞和雙中子星形成的主要途徑。引力波時(shí)代的全面到來(lái)，同時(shí)也帶來(lái)了雙星演化這一天文學(xué)經(jīng)典研究領(lǐng)域的又一黃金時(shí)期。知社邀請(qǐng)到主要從事雙星演化和應(yīng)用方面研究的中科院云南天文臺(tái)陳雪飛研究員和陳海亮副研究員，為大家?guī)?lái)雙星演化和恒星級(jí)引力波源形成等方面知識(shí)的介紹。

引力波

天文學(xué)上預(yù)期的引力波源是什么，我們將采取何種探測(cè)方法？洛希模型和雙星又如何相互作用，雙星如何演化？雙中子星系統(tǒng)又是如何被發(fā)現(xiàn)、建模的？從雙中子星到恒星級(jí)雙黑洞，這期間經(jīng)歷了怎樣的變遷？引力波時(shí)代，雙星演化研究又面臨怎樣的機(jī)遇？你都可以從這里找到答案。（參見(jiàn)：雙星演化——恒星級(jí)引力波源的孕育和誕生之路）

最激動(dòng)人心的時(shí)刻終于來(lái)到。2017年10月16日晚22點(diǎn)，NASA攜全球數(shù)十家天文單位宣布了引力波探測(cè)史上又一革命性的發(fā)現(xiàn)，人類首次探測(cè)到了中子星并合的引力波信號(hào)GW170817及其電磁對(duì)應(yīng)體伽瑪暴，以及相應(yīng)的貴重金屬合成信號(hào)，終將這場(chǎng)始于2016年2月的引力波盛宴推至最高潮。

在這場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)兩小時(shí)的新聞發(fā)布會(huì)上，LIGO執(zhí)行主任大衛(wèi)·萊茲（David Reitze）宣布，2017年8月17日，12點(diǎn)41分20秒(UTC)，也就是北京時(shí)間20點(diǎn)41分20秒，NASA的費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)出了一個(gè)GRB170817A的伽瑪射線暴報(bào)警，這是一次到達(dá)時(shí)間在20點(diǎn)41分06秒的短伽瑪射線暴。

知社還特邀加州理工學(xué)院的陳雁北教授和湖北第二師范學(xué)院的范錫龍副教授來(lái)對(duì)此事件做出了評(píng)述，發(fā)表《時(shí)空與物質(zhì)、廣義相對(duì)論與量子力學(xué)的完美結(jié)合》一文。（參見(jiàn)：量子力學(xué)與相對(duì)論翩翩起舞, 科學(xué)家在宇宙金礦挖論文金礦 | 引力波重磅）

天文學(xué)家們認(rèn)定，這是一次雙中子星的碰撞事件。這次發(fā)現(xiàn)對(duì)前文所述幾項(xiàng)重要問(wèn)題，有了進(jìn)一步解答。天文學(xué)家們就初步確認(rèn)了“短伽馬射線暴”的物理起源，初步確認(rèn)了中子星的存在并且了解了它的成分，而且對(duì)宇宙中重元素的起源，有了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。通過(guò)對(duì)引力波強(qiáng)度的測(cè)量，我們獨(dú)立測(cè)量了NGC4993這個(gè)星系和地球距離，對(duì)宇宙膨脹的速率，以及宇宙的年齡又多了一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量方法。通過(guò)對(duì)引力波和電磁波到達(dá)時(shí)間，我們對(duì)引力波的速度也有了新的測(cè)量。

引力波的被發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了天文物理學(xué)的新篇章。而未來(lái)的引力波天文學(xué)又會(huì)有怎樣激動(dòng)人心的發(fā)展呢？引用陳雁北教授和范錫龍副教授對(duì)引力波觀測(cè)的展望來(lái)作為本文的結(jié)尾吧：

“19世紀(jì)的最后一天，英國(guó)著名物理學(xué)家Thompson發(fā)表感慨：物理學(xué)大廈已經(jīng)落成，剩下的只有修補(bǔ)的工作，這就好比“晴朗的天空上的兩朵烏云”。為了去除這兩朵烏云，物理學(xué)家們發(fā)展出了相對(duì)論和量子力學(xué)。1915年的廣義相對(duì)論，奠定了時(shí)空幾何的基礎(chǔ)；而后，人類利用量子力學(xué)，不但大大推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微觀世界和對(duì)宇宙，都有了革命性的新認(rèn)識(shí)。

回顧一下1915年的物理學(xué)。那個(gè)時(shí)候，我們不但不理解化學(xué)反應(yīng)和放射現(xiàn)象背后的原子物理和核物理，也不知道恒星的發(fā)光機(jī)制和演化過(guò)程，不知道銀河系外還有其他的星系，更不知道宇宙其實(shí)是在膨脹。1915年，再聰明的物理學(xué)家也不會(huì)想到，100年后的今天，我們不但會(huì)定量的研究各種元素的起源，也在探索宇宙本身的起源問(wèn)題。這也許可以讓我們相信，人類對(duì)科學(xué)的探索，是沒(méi)有止境的?！?/p>